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◎学习目标
- 熟记对偶基特征:\(\varphi_i(\alpha_j)=\delta_{ij}\),并掌握两个基本公式——公式①(向量坐标 = 对应位置的对偶基函数值)与公式②(线性函数在对偶基下的系数 = 其在 \(V\) 基向量的函数值);
- 理解公式①的推导:\(\alpha=\sum_i x_i\alpha_i\),两边取 \(\varphi_j\) 上的函数值,由 \(\varphi_j(\alpha_i)=\delta_{ij}\) 得 \(x_j=\varphi_j(\alpha)\);
- 理解公式②的推导:\(\varphi=\sum_j k_j\varphi_j\),两边取在 \(\alpha_i\) 上的函数值,由对偶性得 \(k_i=\varphi(\alpha_i)\);
- 掌握核心定理:对偶基的过渡矩阵是原基过渡矩阵的逆的转置,即 \(B=(A^{-1})^{T}\);
- 能独立完成基变换下对偶基坐标的推导,并理解坐标变换公式与矩阵转置的关系。
1公式①:向量坐标 = 对应位置的对偶基函数值 ⏱ 01:57
设 \(V\) 是 \(n\) 维 \(F\) 上线性空间,\(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 是 \(V\) 的一组基,\(\varphi_1,\dots,\varphi_n\) 是其对偶基(\(\varphi_i(\alpha_j)=\delta_{ij}\))。对任意向量 \(\alpha=\sum_{i=1}^{n} x_i\alpha_i\in V\):
推导过程(丘老师课堂完整叙述)
考虑 \(\varphi_j(\alpha)\)。由于 \(\varphi_j\) 是线性函数(保持加法与数量乘法),
2公式②:线性函数系数 = 其对偶基基向量上的函数值 ⏱ 05:09
设 \(\varphi\in V^*\) 是任意线性函数,把它表示为对偶基的线性组合 \(\varphi=\sum_{j=1}^{n} k_j\varphi_j\)。求系数 \(k_j\)。
推导过程
考虑 \(\varphi(\alpha_i)\)(\(i\) 固定)。两边取在 \(\alpha_i\) 上的函数值(函数相等则其在 \(\alpha_i\) 上的值相等):
3过渡矩阵问题设定 ⏱ 10:05
设 \(V\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间,取两组基:
| 对象 | 记号 | 说明 |
|---|---|---|
| \(V\) 的旧基 | \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) | 原基 |
| \(V\) 的新基 | \(\beta_1,\dots,\beta_n\) | 新基 |
| \(V^*\) 的旧基(对偶基) | \(\varphi_1,\dots,\varphi_n\) | \(\varphi_i(\alpha_j)=\delta_{ij}\) |
| \(V^*\) 的新基(对偶基) | \(g_1,\dots,g_n\) | \(g_i(\beta_j)=\delta_{ij}\) |
| 基变换过渡矩阵(旧→新) | \(A=(a_{ij})\) | \((\beta_1,\dots,\beta_n)=(\alpha_1,\dots,\alpha_n)A\),\(A\) 可逆 |
| 对偶基过渡矩阵(旧→新) | \(B=(b_{ij})\) | \((g_1,\dots,g_n)=(\varphi_1,\dots,\varphi_n)B\),待求 \(B\) 与 \(A\) 的关系 |
问题:由旧基到新基的过渡矩阵是 \(A\),那么对应的对偶基由旧对偶基到新对偶基的过渡矩阵 \(B\) 与 \(A\) 有什么关系?⏱ 11:50
4主定理推导:\(B=(A^{-1})^{T}\) ⏱ 13:10
证明第一步:写出 \(A^{-1}\) 的元素,得到 \(\alpha_k\) 的 \(\beta\) 基坐标
设 \(A^{-1}=(c_{ij})\),即
证明第二步:用公式①把 \(c_{ik}\) 表达为 \(g_i(\alpha_k)\)
把 \(\alpha_k\) 看作公式①中“\(V\) 中任一向量 \(\alpha\)”的特例:\(\alpha_k=\sum_{i=1}^{n} c_{ik}\,\beta_i\),其第 \(i\) 个坐标 \(c_{ik}\) 等于对偶基中 \(g_i\) 在 \(\alpha_k\) 上的函数值(注意这里是 \(\beta\) 基的对偶基 \(g_1,\dots,g_n\)):
证明第三步:用公式②把 \(b_{ji}\) 表达为 \(g_j(\alpha_i)\)
把 \(g_j\) 写成对偶基旧基 \((\varphi_1,\dots,\varphi_n)\) 的组合(由定义 \((g_1,\dots,g_n)=(\varphi_1,\dots,\varphi_n)B\),\(g_j\) 的第 \(i\) 个系数是 \(b_{ij}\)):
证明第四步:对比两式,得出结论
第二步得 \(c_{ik}=g_i(\alpha_k)\);第三步得 \(b_{kj}=g_k(\alpha_j)\)(把 \(b_{ij}=g_j(\alpha_i)\) 中的指标 \((i,j)\) 改为 \((k,j)\),并注意到 \(c_{ik}=g_i(\alpha_k)\) 与 \(b_{kj}=g_k(\alpha_j)\) 其实是同一个量(把 \(i\leftrightarrow k\) 互换即可)。⏱ 20:05
严格表述:由第三步,\(b_{kj}=g_k(\alpha_j)\)。由第二步(把 \(i\) 换成 \(k\),\(k\) 换成 \(j\)),\(c_{kj}=g_k(\alpha_j)\)。故
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 公式①用的是“新对偶基”还是“旧对偶基”?:向量 \(\alpha=\sum_i x_i\alpha_i\) 在旧基下的坐标 \(x_i=\varphi_i(\alpha)\),\(\varphi_i\) 是旧基 \(\alpha\) 对应的旧对偶基;若向量表成新基 \(\beta\),则坐标 = \(g_i(\alpha)\)(\(g\) 是 \(\beta\) 的新对偶基)。推导 \(B\) 时务必区分哪个基对应的对偶基。
- \(b_{kj}\) 与 \(c_{kj}\) 的指标对应:\(b_{kj}=g_k(\alpha_j)\)(\(g\) 的第 \(k\) 个函数在 \(\alpha\) 的第 \(j\) 个向量上的值),\(c_{kj}=(A^{-1})_{jk}=g_k(\alpha_j)\)。两者相等是因为 \(c_{kj}\) 恰好就是 \(A^{-1}\) 的 \((j,k)\) 位置,而 \((A^{-1})^{T}\) 的 \((k,j)\) 位置也正好是 \((A^{-1})_{jk}\)。指标错位是最常见的错误。
- “逆的转置”≠“转置的逆”写反:\(B=(A^{-1})^{T}\),也可写作 \(B=(A^{T})^{-1}\)(转置与逆可交换)。千万不要写成 \(B=A^{T}\) 或 \(B=(A^{T})\)。
- 坐标是行向量还是列向量:本笔记用行向量记法(坐标行 \(\times\) 过渡矩阵 = 新坐标行)。若用列向量记法,公式变为 \(\mathbf{y}=A^{T}\mathbf{x}\) 或相应转置形式,要统一。
- 0 函数取值:公式②推导中,两边取在 \(\alpha_i\) 上的值,等号右边“0 函数在 \(\alpha_i\) 上的值”是 \(F\) 中的 0,与 \(V\) 中 0 向量无关。
✎自测与作业
- 设 \(V=\mathbb{R}^2\),旧基 \(\alpha_1=(1,0),\alpha_2=(1,1)\),求旧对偶基 \(\varphi_1,\varphi_2\);再令新基 \(\beta_1=\alpha_2,\beta_2=\alpha_1+\alpha_2\),写出过渡矩阵 \(A\),求 \(B=(A^{-1})^{T}\),并验证 \(g_i(\beta_j)=\delta_{ij}\)。
- 验证公式①:取 \(V=\mathbb{R}^3\),\(\alpha_1=(1,0,0),\alpha_2=(0,1,0),\alpha_3=(1,1,1)\),对偶基为 \(\varphi_1,\varphi_2,\varphi_3\)。对 \(\alpha=(2,3,5)\),分别直接计算其坐标与用 \(\varphi_i(\alpha)\) 验证一致性。
- 设 \(\varphi\in V^*\),\(\varphi=\sum_{i=1}^{n}\varphi(\alpha_i)\varphi_i\)(公式②)。若 \(n=3\),\(\varphi(\alpha_1)=1,\varphi(\alpha_2)=-2,\varphi(\alpha_3)=4\),写出 \(\varphi\) 在对偶基下的表达式。
- (证明)设基变换 \((\beta_1,\dots,\beta_n)=(\alpha_1,\dots,\alpha_n)A\),对偶基变换 \((g_1,\dots,g_n)=(\varphi_1,\dots,\varphi_n)B\)。证明 \(B=(A^{-1})^{T}\),完整写出本集 s4 折叠中的四步推导。
- (思考)为什么对偶基的过渡矩阵涉及“逆的转置”而非“转置”?从 \(g_i(\beta_j)=\delta_{ij}\) 与 \(\varphi_i(\alpha_j)=\delta_{ij}\) 的关系出发,用坐标变换角度给出直观解释。